CN113861949A - 一种传热组合物及其应用以及浸没冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种传热组合物及其应用以及浸没冷却系统，涉及液冷技术领域。本申请提供的传热组合物包括以下重量份的组份：全氟聚醚60‑90份，全氟胺5‑30份，氟改性吡啶丙烯酸酯0.1‑3份，四氟乙烯齐聚物5‑10份。本申请解决了全氟聚醚类液冷剂在长期的使用中发生酸化而不稳定的问题，提高了全氟聚醚液冷体系对不稳定酸性的控制力，且具有更好的体系相容性和更加优良的流动性。

Description

一种传热组合物及其应用以及浸没冷却系统
技术领域
本申请涉及冷却技术领域，具体涉及一种传热组合物及其应用以及浸没冷却系统。
背景技术
随着高性能计算机、数据中心服务器和新能源汽车等科技产业的升级和发展，设备能耗问题日益凸显。计算机设备和动力电池在运行过程中往往会产生大量热量从而降低运行效率，如无法得到有效的处理，必然会影响其运行。目前现在数据中心的电能耗主要集中在全年运转的服务器以及配套的散热设备上。若设备采用有效的散热方式，可以转化热量并且大幅降低电能耗。散热设备有两种方式，一种是普遍采用的风冷散热系统，但风冷系统能效比较低，散热设备耗能居高不下；另一种是液冷散热系统，分为间接接触式液冷和直接浸没式液冷。直接浸没式液冷是将发热元件直接浸没在吸收热量的非导电冷却液中，依靠液体的流动循环带走服务器等设备运行产生的热量。由于发热元件与冷却液直接接触，散热效率更高，噪音更低。如数据中心浸没式冷却通过直接将IT硬件浸没在液体中，可帮助改进其散热设计。电子元件产生的热量直接高效地传递到液体中，从而减少了对导热界面材料、散热器和风扇等主动冷却组件的需求。这些改进提高了能源效率同时允许采用更高的封装密度，降低服务器冷却的能耗，帮助打造一个更环保的数据中心，减少需要维修与更换的活动部件。
浸没式液冷剂这种绝缘冷却液通常是硅油、矿物油、氟化液等物质，它的特殊之处在于：完全绝缘且无腐蚀性，即使浸没元器件20年以上，也不会对电子元器件产生任何影响；而高效的散热效率，可使机房无需空调等大型制冷设备，节省75％空间以上，其接近1.0的PUE可以将有限的电力发挥出最大的计算能力。
全氟聚醚类化合物具有高热稳定性、在高腐蚀性介质中的化学稳定性、防火、无毒、介电特性高、粘度小等优点，其可作为电子器件的浸没式液冷剂。然而，全氟聚醚链节中或者端基中有微量的活性基团，在长期的使用中发生酸化而不稳定，出现对于材料的腐蚀等现象。在冷却液系统中使用会导致集成电路的腐蚀，尤其是焊接点等位置的点蚀，这种效应的出现将大大减少集成系统的稳定性甚至全面瘫痪。其次，酸性点的出现也会在使用中发生解离，典型的表现是造成电阻率的上升，在使用中可能造成集成电路系统的短路等影响，这种效应对于液冷系统的运行稳定性的破坏是致命的。现有技术中还未有解决此方面问题的技术出现。
发明内容
本申请实施例通过提供一种传热组合物及其应用以及浸没冷却系统，解决了全氟聚醚类液冷剂在长期的使用中发生酸化而不稳定的问题，提高了全氟聚醚液冷体系对不稳定酸性的控制力，且具有更好的体系相容性和更加优良的流动性。
为达到上述目的，本申请主要提供如下技术方案：
本申请实施例提供了一种传热组合物，包括以下重量份的组份：
全氟聚醚 60-90份
全氟胺 5-30份
氟改性吡啶丙烯酸酯 0.1-3份
四氟乙烯齐聚物 5-10份。
优选地，所述全氟聚醚具有以下结构通式：Ra-(C(X)FCF2O)n-(CF2O)m-(CF2)y-Rb，其中Ra选自-F、-CF3、CF3O-、CF3CF2-、CF3CF2O-、CF3CF(CF3)-或CF3CF(CF3)O-基团，Rb选自-F、-CF3或-CF(CF3)CF3基团，X选自H、-F、-CF3或-CF2CF3基团，m和n均为3-20之间的整数，y为1-3之间的整数。
优选地，所述全氟聚醚具有以下结构通式：Ra-(C(X)FCF2O)n-(CF2O)m-(CF2)y-Rb，其中Ra选自-F、-CF3、CF3O-、CF3CF2-、CF3CF2O-、CF3CF(CF3)-或CF3CF(CF3)O-基团，Rb选自-F、-CF3或-CF(CF3)CF3基团，X为-CF3基团，m和n均为3-20之间的整数，y为1-3之间的整数。
优选地，所述全氟胺为全氟三乙胺、全氟三丙胺、全氟三戊胺或其混合物。
优选地，所述氟改性吡啶丙烯酸酯具有以下结构通式：
Figure BDA0003299422910000021
其中r为4-18之间的整数。
优选地，所述四氟乙烯齐聚物为四氟乙烯四聚体、四氟乙烯五聚体、四氟乙烯六聚体中的一种或多种。
优选地，所述传热组合物用于制冷系统或传热系统。
本申请实施例还提供了上述传热组合物在浸没式冷却系统中的应用，所述传热组合物用作浸没式冷却系统中的冷却介质。
本申请实施例还提供了一种浸没冷却系统，包括：
发热装置和液体冷却介质，其中所述发热装置至少部分浸没于所述液体冷却介质中，所述液体冷却介质包括上述传热组合物。
优选地，所述液体冷却介质包含至少20％重量含量的上述传热组合物。
优选地，所述发热装置选自计算机服务器、电路板、微处理器、配电开关设备、电力变压器、半导体器件、化学反应器、电池组件或通信设备。
优选地，所述浸没冷却系统为单相浸没冷却系统。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例提供的传热组合物通过以全氟聚醚为主要基体组分，并添加全氟胺、氟改性吡啶丙烯酸酯、四氟乙烯齐聚物作为复配组分，多组分进行协同作用，提高了全氟聚醚液冷体系对不稳定酸性的控制力，且具有更好的体系相容性和更加优良的流动性。
所加入的氟改性吡啶丙烯酸酯，能够捕获全氟聚醚中微量游离的酸性离子，使体系呈中性并能够稳定存在，同时，全氟胺能够通过类似氢键的范德华力作用固定酸性基团，在增加相容性的同时能够抑制酸性解离从而保护了集成电路不受腐蚀。
所加入的氟改性吡啶丙烯酸酯为部分含氟链段和部分非氟链段构成，其增加了其与全氟胺、四氟乙烯齐聚物以及主体组分全氟聚醚之间的相容性，传热组合物整体呈现透明液态，增加了其流动性，使其具有更好散热效果。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员对本申请方案的理解，下面结合具体实施例对本申请方案进行进一步阐述，应当理解，本申请实施例是对本申请方案的解释说明，不作为对本申请保护范围的限定。
本申请实施例通过提供一种传热组合物及其应用以及浸没冷却系统，解决了全氟聚醚类液冷剂在长期的使用中发生酸化而不稳定的问题，提高了全氟聚醚液冷体系对不稳定酸性的控制力，且具有更好的体系相容性和更加优良的流动性。
本申请实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：
本申请实施例提供了一种传热组合物，包括以下重量份的组份：
全氟聚醚 60-90份
全氟胺 5-30份
氟改性吡啶丙烯酸酯 0.1-3份
四氟乙烯齐聚物 5-10份。
在本申请的优选实施例中，上述全氟聚醚具有以下结构通式：Ra-(C(X)FCF2O)n-(CF2O)m-(CF2)y-Rb，其中Ra选自-F、-CF3、CF3O-、CF3CF2-、CF3CF2O-、CF3CF(CF3)-或CF3CF(CF3)O-基团，Rb选自-F、-CF3或-CF(CF3)CF3基团，X选自H、-F、-CF3或-CF2CF3基团，m和n均为3-20之间的整数，y为1-3之间的整数。
在本申请的优选实施例中，上述全氟聚醚具有以下结构通式：Ra-(C(X)FCF2O)n-(CF2O)m-(CF2)y-Rb，其中Ra选自-F、-CF3、CF3O-、CF3CF2-、CF3CF2O-、CF3CF(CF3)-或CF3CF(CF3)O-基团，Rb选自-F、-CF3或-CF(CF3)CF3基团，X为-CF3基团，m和n均为3-20之间的整数，y为1-3之间的整数。
在本申请的优选实施例中，上述全氟胺为全氟三乙胺、全氟三丙胺、全氟三戊胺或其混合物。
在本申请的优选实施例中，上述氟改性吡啶丙烯酸酯具有以下结构通式：
Figure BDA0003299422910000041
其中r为4-18之间的整数。
上述氟改性吡啶丙烯酸酯可通过全氟烷基羧酸与2-氨基-3-吡啶甲醛反应得到，反应式如下：
Figure BDA0003299422910000042
在本申请的优选实施例中，上述四氟乙烯齐聚物为四氟乙烯四聚体、四氟乙烯五聚体、四氟乙烯六聚体中的一种或多种。
在本申请的优选实施例中，上述传热组合物用于制冷系统或传热系统。
本申请实施例提供的传热组合物通过以全氟聚醚为主要基体组分，并添加全氟胺、氟改性吡啶丙烯酸酯、四氟乙烯齐聚物作为复配组分，多组分进行协同作用，提高了全氟聚醚液冷体系对不稳定酸性的控制力，同时具有更好的体系相容性和更加优良的流动性。
本申请提供的传热组合物中全氟聚醚的重量含量占到58％以上，全氟聚醚无色、无味、无毒且不可燃，具有很好的环保和安全性能，且具有高电绝缘性能、低粘度、高沸点、高热传导率、高化学稳定性等特点，将其用于发热装置特别是电子设备的浸没冷却介质时，既具有极佳的散热功能，又具有良好的兼容性和稳定性，能保证电子设备在散热过程中运行不受影响，且电子设备长期浸没其中而不被破坏。所加入的全氟胺可选自全氟三乙胺、全氟三丙胺、全氟三戊胺中的一种或多种，这些全氟胺均为无色、无臭、无毒的不燃的惰性液体，具有较好的介电绝缘性和化学稳定性。所加入的四氟乙烯齐聚物不可燃、无腐蚀性，具有一般氟碳化合物的惰性特点。总体而言，本申请提供的传热组合物具有良好的电绝缘性、化学稳定性以及导热性能，可满足电子设备用液冷剂的各项指标要求。
在全氟聚醚中加入辅助组分氟改性吡啶丙烯酸酯，能够捕获全氟聚醚中微量游离的酸性离子，使体系呈中性并能够稳定存在，同时，所加入的全氟胺能够通过类似氢键的范德华力作用固定酸性基团，在增加相容性的同时能够抑制酸性解离从而保护了集成电路不受腐蚀。
此外，氟改性吡啶丙烯酸酯为部分含氟链段和部分非氟链段构成，其增加了其与全氟胺、四氟乙烯齐聚物以及主体组分全氟聚醚之间的相容性，传热组合物整体呈现透明液态，增加了其流动性，使其具有更好散热效果。
本申请提供的传热组合物中所加入的四氟乙烯齐聚物为小分子化合物，能够降低传热组合物的粘度，增加其流动性，从而使其具有更好的散热效果。
本申请实施例还提供了上述传热组合物在浸没式冷却系统中的应用，该传热组合物用作浸没式冷却系统中的冷却介质。
本申请实施例还提供了一种浸没冷却系统，包括：
发热装置和液体冷却介质，其中发热装置至少部分浸没于液体冷却介质中，液体冷却介质包括上述传热组合物。
在本申请的优选实施例中，液体冷却介质包含至少20％重量含量的上述传热组合物，比如液体冷却介质包含35％重量含量、40％重量含量、45％重量含量、50％重量含量、55％重量含量、60％重量含量、65％重量含量、70％重量含量、80％重量含量、90％重量含量或100％重量含量等的上述传热组合物。
本申请提供的传热组合物可单独用于液体冷却介质，可与其他冷却组分或非冷却组分进行混合使用，以改变或增强用于特定用途的传热组合物的特性。冷却组分如醚、烷烃、全氟烯烃、烯烃、卤化烯烃、全氟化醚、环烷烃、酯、全氟化酮、酮、环氧乙烷、芳族化合物、硅氧烷、氢氯烃、氢氯氟烃及各种氟碳化合物等。非冷却组分如润滑剂等。
在本申请的优选实施例中，发热装置选自计算机服务器、电路板、微处理器、配电开关设备、电力变压器、半导体器件、化学反应器、电池组件、通信设备。计算机服务器包括电脑主机、数据中心、超级计算机等。数据中心可包括集中管理的计算资源和相关支持系统的设备或部分数据中心，及与其它模块一起提供数据中心的模块部件。半导体器件包括、用于制造半导体器件的半导体晶圆、功率控制半导体、封装的或未封装的半导体器件。电池组件包括锂电池、燃料电池等。
在本申请的优选实施例中，浸没冷却系统为单相浸没冷却系统。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，但不作为对本申请的限定。
实施例
按照表1中的组分配比在液相状态下进行物理混合，制备得到传热组合物，对这些传热组合物分别放置一段时间后在不同温度下测定其酸值，测定方法为酸值滴定法：GBT264-1983(1991)，得到表2所示的结果。
对上述制备的传热组合物进行理化特性测试，得到表3所示的测试结果。
表1.传热组合物的组成及配比
Figure BDA0003299422910000061
Figure BDA0003299422910000071
表2传热组合物的酸值(MgKOH/mg)
Figure BDA0003299422910000072
表3.传热组合物的基本理化特性测试结果
Figure BDA0003299422910000073
Figure BDA0003299422910000081
从表2的检测数据可以看出，对比例1中没有加入全氟胺的传热组合物的酸值是实施例3的加入了全氟胺的传热组合物的3-4倍，对比例2中没有加入氟改性吡啶丙烯酸酯的传热组合物的酸值是实施例3的加入了氟改性吡啶的传热组合物的2倍以上，说明加入的全氟胺与氟改性吡啶具有显著的降低以全氟聚醚为主要组分的传热组合物的酸值的效果，且在不同的温度下以及随着时间的延长，均具有较好的酸值降低和体系稳定化作用。尽管对比例3和实施例3的酸值接近，但从表3的理化特性数据可以看出，实施例3的运动粘度远低于对比例3的，且导热系数也远高于对比例3的，说明实施例3中加入的四氟乙烯齐聚物具有显著降低体系粘度和提高导热性能的作用。
另外，从表3的检测数据可以看出，本申请实施例提供的传热组合物具有低粘度、高比热容和高导热系数的特点，且无毒和不可燃，有着足够的安全性能。其中本申请实施例提供的传热组合物的导热系数是市售液冷剂FC40(0.067W/m·K)和Novec系列(0.065W/m·K)的4倍以上，且这些传热组合物的比热容均在1000J/(kg·℃)以上，因此可以提供更有效的热传递，将其用于电子设备的液冷系统时，可以提供更有效的冷却效果。由此说明本申请实施例提供的传热组合物既具有稳定的低酸性的特点，同时具有良好的流动性和散热功能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种传热组合物，其特征在于，包括以下重量份的组份：
Figure FDA0003299422900000011
2.根据权利要求1所述的传热组合物，其特征在于，所述全氟聚醚具有以下结构通式：Ra-(C(X)FCF2O)n-(CF2O)m-(CF2)y-Rb，其中Ra选自-F、-CF3、CF3O-、CF3CF2-、CF3CF2O-、CF3CF(CF3)-或CF3CF(CF3)O-基团，Rb选自-F、-CF3或-CF(CF3)CF3基团，X选自H、-F、-CF3或-CF2CF3基团，m和n均为3-20之间的整数，y为1-3之间的整数。
3.根据权利要求2所述的传热组合物，其特征在于，所述全氟聚醚具有以下结构通式：Ra-(C(X)FCF2O)n-(CF2O)m-(CF2)y-Rb，其中Ra选自-F、-CF3、CF3O-、CF3CF2-、CF3CF2O-、CF3CF(CF3)-或CF3CF(CF3)O-基团，Rb选自-F、-CF3或-CF(CF3)CF3基团，X为-CF3基团，m和n均为3-20之间的整数，y为1-3之间的整数。
4.根据权利要求1所述的传热组合物，其特征在于，所述全氟胺为全氟三乙胺、全氟三丙胺、全氟三戊胺或其混合物。
5.根据权利要求1所述的传热组合物，其特征在于，所述氟改性吡啶丙烯酸酯具有以下结构通式：
Figure FDA0003299422900000012
其中r为4-18之间的整数。
6.根据权利要求1所述的传热组合物，其特征在于，所述四氟乙烯齐聚物为四氟乙烯四聚体、四氟乙烯五聚体、四氟乙烯六聚体中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的传热组合物，其特征在于，所述传热组合物用于制冷系统或传热系统。
8.权利要求1-7任一项所述的传热组合物在浸没式冷却系统中的应用，所述传热组合物用作浸没式冷却系统中的冷却介质。
9.一种浸没冷却系统，其特征在于，包括：
发热装置和液体冷却介质，其中所述发热装置至少部分浸没于所述液体冷却介质中，所述液体冷却介质包括权利要求1-7中任一项所述的传热组合物。
10.根据权利要求9所述的浸没冷却系统，其特征在于，所述液体冷却介质包含至少20％重量含量的所述传热组合物。
11.根据权利要求9所述的浸没冷却系统，其特征在于，所述发热装置选自计算机服务器、电路板、微处理器、配电开关设备、电力变压器、半导体器件、化学反应器、电池组件或通信设备。
12.根据权利要求9所述的浸没冷却系统，其特征在于，所述浸没冷却系统为单相浸没冷却系统。
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